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炭膜曝气生物膜反应器废水处理特性研究

刘惠军  
【摘要】: 膜曝气生物膜反应器(MABR)采用透气膜对生物膜进行曝气供氧,是一种将膜技术与生物膜技术相结合的污水处理新技术。它利用了膜能够将气液两相分离的特性,空气通过透气膜为附着在其上的生物膜进行无泡曝气供氧,使生物膜能够高效降解水中污染物。虽然MABR具有许多传统生物反应器无可比拟的优点,但目前反应器膜污染、膜材质稳定性差、过高的膜组件造价等缺点很大程度上限制了它的推广应用。对此,本论文采用一种成本低廉的煤基炭膜作为MABR膜组件,进行了炭膜曝气生物膜反应器(CMABR)处理废水的实验研究。 实验探讨了炭膜作为透气性载体膜的可行性。结果表明煤基炭膜表现出了较高的微生物吸附能力,单位面积微生物吸附量为0.55 gTOC/m~2,能够作为生物膜的载体;炭膜具有较高的传氧能力,传氧系数K_M为0.36 m/h,适用于作为MABR的供氧装置,能够保证生物膜的用氧需求。 CMABR处理生活污水实验表明,反应器平均COD、NH_4~+-N、TN去除率分别为88%、90%和78%,膜比表面COD、NH_4~+-N去除速率分别达到35.6 CODg/m~2.d、9.34 gNH_4~+-N/m~2.d,系统具有较高污染物去除能力,在同时脱碳除氮方面表现突出。反应器长时间运行过程中,微生物新陈代谢产物—胞外聚合物(EPS)是引起膜内污染的关键物质,疏水性的EPS填充在膜孔内,大大降低了膜的氧传递系数。碱洗是有效的去除膜污染的方法,经清洗后的膜组件几乎可以恢复其原有的传氧性能。 将CMABR用于处理无机含氨氮废水,通过调节膜内气压来控制氧的供给。在膜内气压0.017 MPa、0.015 MPa下,CMABR中生物膜消耗掉炭膜所供给全部氧气的同时保证氨氮良好去除效果。在气压0.009 MPa下,MABR出水NH_4~+-N:NO_2~--N接近1:1,可以利用厌氧氨氧化工艺进行继续处理;最大比表面积氨氮去除负荷可以达到9.7g/m~2.d,单位面积炭膜上有限的生物量以及生物膜内底物扩散作用限制了其进一步的提高。 实验考察不同的运行参数(膜内气压、进水碳氮比、水力停留时间)对反应器处理效果的影响,优化了系统的运行条件。生物膜重复挂膜过程缩短了反应器的启动过程,仅8d就可以完成;在膜内气压0.025 MPa,进水碳氮比5:1,水力停留时间8h条件下,NH_4~-N、COD去除率和反硝化效率分别达95%、88%和92%以上;炭膜曝气生物膜反应器具有良好的稳定性,抗冲击负荷能力强。 采用荧光原位杂交技术(FISH)分析不同生物膜内部群落结构及空间分布。处理无机含氨氮废水的生物膜优势硝化菌是亚硝化单胞菌群(Nitrosomonas)、亚硝化螺菌群(Nitrosospira)和硝化螺菌(Nitrospira),三者数量占总菌数的60%以上。另外,亚硝化菌贯穿于整个生物膜内部,未出现分层结构;而对于处理进水碳氮比为5:1的异养/自养复合菌生物膜,亚硝化螺菌(Nitrosospira)和硝化螺菌(Nitrospira)成为优势菌群,二者总数占全菌比例数下降为20%,几乎观察不到亚硝化单胞菌群(Nitrosomonas)的存在。生物膜内部出现了硝化菌分层现象:硝化菌明显地生长在生物膜内层,外层以硝化菌以外的微生物为主,根据运行效果推测其为反硝化菌。


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